CN102627983A - 流化床等离子气化垃圾装备及其气化工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种流化床等离子气化垃圾装备及其气化工艺。所述气化装备的气化炉为为等离子气化流化床，包括流化床气化炉，并在流化床顶部排烟口处设置等离子体炬；流化床气化炉炉墙的里层为刚玉浇注料层；所述排渣系统尾部设有灰渣等离子处理仓；流化床气化炉里层为刚玉浇注料层。所述气化工艺包括如下步骤：(a)混合气体生成，(b)排渣与返料，(c)燃气的净化与过滤；在此过程中，在流化床炉内生成的混合气体经等离子体再加热至1000℃以上发生焦油重组和消灭部分灰渣表面的二噁英；并经急冷作用在0.6s内自800℃降至180℃，完全避过二噁英的重新聚合区间；具有绿色环保、节能降耗的特点。

Description

流化床等离子气化垃圾装备及其气化工艺

技术领域

本发明涉及生活垃圾等离子气化发电技术，尤其涉及一种等离子垃圾气化装备及其气化工艺。

背景技术

我国生活垃圾处理方式主要是填埋和焚烧。填埋不仅侵占大量土地，还污染地下水，是不得已而为之的选择。尽管如此，对于土地资源紧张的地区已没有多少场地可供填埋使用。焚烧法虽然减容比高，并能回收能量，但却因二噁英等污染问题遭到公众强烈反对：生活垃圾等废弃物在燃烧温度低于300～550℃时易产生二噁英；对于含氯塑料的焚烧过程中，焚烧温度低于800℃极易生成二噁英，二噁英毒性巨大，是氰化物的130倍，砒霜的900倍，有“世纪之毒”之称，尤其其具有分子链稳定的特点，在低于800℃时易重新聚合。鉴于此，现急需发展新一代的绿色环保、节能降耗的替代焚烧技术。

等离子体是物质第四态，具有许多异于固态、液态和气态的独特的物理化学性质，如温度和能量密度都很高、可导电和发光、化学性质活泼并能加强化学反应等，环保性能优良。等离子体废物处理技术始于1970年代初期，最初主要用于低放射性废物、化学武器和常规武器销毁，于1990年代进入民用。由于等离子体设备技术含量高，投资巨大，运行成本高，多用于销毁多氯联苯(PCBs)、POPs、废农药、焚烧飞灰和医疗废物等危险废物。近十年来，随着技术的发展，成本逐渐得到控制，且政府对垃圾处理问题的重视和公众环保意识的提高，等离子体处理生活垃圾的技术也逐渐成为国内外的研究热点。

目前全球从事等离子体废物处理技术研究的单位有二十余家，技术还处于商业化的门槛阶段，多数未达到实用化阶段。现阶段所使用的技术都是采用等离子体炬对垃圾进行直接的高温气化，通过电弧放电产生高达7000℃的等离子体，将垃圾加热至很高的温度，从而迅速有效地摧毁废物。可燃的有机成分充分裂解气化，转化成可燃性气体，可以用于发电或作为可燃气，一般称为“合成气”(主要成分是CO+H₂)。不可燃的无机成分经等离子体高温处理后成为无害的渣体。

但现阶段的等离子垃圾气化技术尚有许多不足之处：

首先，用等离子体炬直接气化垃圾需要极大地功率，其耗电率可达其产电能力的30％～45％，由于耗电过高导致运营成本大大增加，从而使其不具备商业运行的价值。

其二，现有的等离子体炬气化垃圾技术，并不能很好地解决二噁英的问题，如果仅仅使用等离子体炬配合后续的吸附塔以及布袋式除尘器，无法使二噁英含量真正低于国家标准。

第三，使用等离子体炬直接气化垃圾，由于其温度场分布不均，使垃圾不能完全被高温处理，排出的废渣中会有大量的二噁英和其他有害物质，致使其废渣的处理又成为一道难题。

另一方面，现有的气化炉多采用固定床，其气化效率低，通常只能达到50-60％，吞吐量小，通常只有0.5T/h，最大不超过3.6T/h。

发明内容

鉴于现有技术所存在的上述问题，本发明旨在公开一种流化床等离子气化垃圾装备及其气化工艺，具有绿色环保、节能降耗的特点。

本发明的技术解决方案是这样实现的：

一种流化床气化垃圾装备，包括上料系统，气化炉，回料系统，排渣系统，旋风分离器，冷却塔，吸附塔，布袋式除尘装置，除硫装置，水环压缩机，汽水分离器，储气分气缸，以及装备控制系统，其特征在于：

还包括急冷系统，其位于旋风分离器和冷却塔之间，包括急冷式余热锅炉和急冷塔；所述急冷式余热锅炉内部设有列管式换热器，顶部设有流态化石英砂喷射装置；所述急冷塔内部设有1个以上用于喷出石灰水水雾的喷头；

所述气化炉为等离子气化流化床，包括流化床气化炉、流化床顶部的等离子体炬；

所述流化床气化炉包括炉墙和布风板；所述炉墙由三层结构组成，里层为刚玉浇注料层，中间层为轻质保温浇注料，外层为硅酸铝纤维板保温层；炉膛温度为600-900℃，炉墙外表面温度为40-60℃；

所述流化床顶部的等离子体炬安装于流化床顶部排烟口处，所述等离子体矩焰心温度达到3000℃以上；

所述排渣系统尾部设有灰渣等离子处理仓，所述灰渣等离子处理仓安装于振动筛尾部，其等离子体矩焰心温度达到3000℃以上；

所述吸附塔为活性炭装置，用以喷射出活性炭粉末。

进一步的，所述流化床气化炉的炉墙里层为铬刚玉浇注料层。

本发明进而公开了所述流化床气化垃圾装置的气化工艺，包括如下步骤：

(a)混合气体生成

首先流化床炉内床料进行预热，使用油枪直接加温床料，当床料加温至600-900℃时，开始送风，送风温度高于300℃，将床料吹起，布风板外围风压大，中心风压小，使床料在流化床内部形成内循环，之后开始送入原料进行气化；

生活垃圾经预处理作为原料由自动上料系统送入炉内气化，进入炉内后与床料一起进行内循环，并由床料加温至600-800℃，气化过程为缺氧燃烧，供气量为完全燃烧的28-30％，反应过程中释放出大量的混合气，包括CO、H₂、CH₄、C₂H₆、CnHm、N₂、CO₂，与此同时在炉内形成的内循环的顶部送入一定量的蒸汽，使烟气中未反应完全的C与蒸汽再次发生还原反应，生成CO和H₂；

所产生的混合气体由流化床顶部的排烟口流出，在此经等离子体炬加温至1000℃以上，在这个过程中烟气中所含的焦油重组为CO和H₂，并部分消灭随烟气飞出的灰渣表面的二噁英，之后混合气体沿切向进入旋风分离器；

在此过程中，所发生的主要化学反应如下：

C+O₂→CO₂+393.8MJ/kmol

2C+O₂→2CO+231.4MJ/kmol

C+H₂O→CO+H₂-131.5MJ/kmol

C+2H₂O→CO₂+2H₂-90.0MJ/kmol

C+CO₂→2CO-162.4MJ/kmol

C+2H₂→CH₄+74.9MJ/kmol

CO+H₂O→CO₂+H₂+41.0MJ/kmol

焦油分解的化学式如下：

C₁₀H₈+10H₂O＝10CO+14H₂

C₁₀H₈+20H₂O＝10CO₂+24H₂

C₁₀H₈+10H₂O＝2CO+4CO₂+6H₂+4CH₄

(b)排渣与返料

在混合气体产生的过程中，在流化床气化炉内部循环反应完全的灰渣会由四周的排渣口排出，进入冷渣器，由冷渣器内的绞龙将其送出并降温至200℃以下，之后进入振动筛，灰渣直径大于3mm的留在振动筛顶部，由输送机送至灰渣等离子处理仓，经等离子体炬的高温处理，部分消灭表面吸附的二噁英之后，送至灰场；灰渣直径小于3mm的落至振动筛底部由输送机送至返料提升机，再由提升机送入返料器，当返料器中的灰渣积累到一定数量时，阀门开启，将灰渣重新送入炉内，进行进一步的反应；

(c)燃气的净化与过滤

所述自切向进入旋风分离器的混合气体，其中的大颗粒粉尘被离心力分离出来在旋风分离器底部积累，随之混合气体由旋风分离器顶部排出进入急冷式余热锅炉，进行急冷和换热，使混合气体在0.4s内由800℃降至250℃，并置换出3T/h的蒸汽(温度为190℃)，之后混合气体进入急冷塔，急冷塔中喷出石灰水水雾，使混合气体在0.2s内由250℃降至180℃；在些过程中混合气体在0.6s内自800℃降至180℃，完全避过二噁英的重新聚合区间(200-500℃)，同时用石灰水进行除硫除氯；

从急冷塔流出的混合气体进入冷却塔，使温度降至常温，之后进入吸附塔，由喷射出的活性炭粉末吸附混合气体中的残留二噁英及粉尘；进而进入布袋除尘器，对气体中的二噁英及粉尘进一步处理，气体中二噁英含量低于0.1ng/m³；继而经除硫装置进行除硫，最后经气水分离器进行气水分离，最后得到纯净的混合气体由储气分气缸储存。

急冷塔中除硫除氯的化学反应如下：

Ca(OH)₂+2HCl＝CaCl₂+2H₂O

Ca(OH)₂+H₂S＝CaS+2H₂O

与现有技术相比，本发明的技术效果体现在：

首先，本案采用流化床气化炉，与现有的固定床气化炉相比，气化效率和吞吐量显著提高：气化效率达到85％以上，吞吐量达到12.5T/h以上。

其二，本发明的等离子体矩分别安装于流化床顶部的排烟口处和振动筛尾部，并直接分别对生成的混合气体和直径大于3mm的灰渣进行再加热，混合气体和灰渣的温度可达到1000℃，甚至经等离子体焰心的可达到焰心温度即3000℃，由于二噁英在800℃以上分解后，200-500℃为其重新聚合区间，而在3000℃以上，二噁英的化学键断裂，不能重新聚合；从而实现除去部分的二噁英的目的，同时，混合气体中的焦油在1000℃以上重组为CO和H₂，在实现去除焦油之目的同时，提高了气化效率；

继而，混合气体在经过急冷系统瞬间降温的过程中，实现了0.6s内由800℃急冷到180℃，完全避过了二噁英的重新聚合区间，从而消除了大部分的二噁英，并且由于其内部结构由多个喷雾喷头组成，不会出现由于结焦和堵塞等问题产生的换热效率下降的情况，所以急冷塔具有耗时短、运行稳定等特点；而现有的冷却技术，如板式换热器，列管式换热器，都不能实现瞬间换热，整个换热过程耗时长，尤其对于含有颗粒物的可燃性气体，容易发生堵塞、结焦、换热效率下降等问题；

与此同时，在急冷塔内通过石灰水水雾的作用实现了除硫除氯的效果；

最后通过吸附塔内活性炭的吸附作用和布袋除尘器的除尘处理，混合气体中二噁英含量低于0.1ng/m³。

其三，本发明采用刚玉作为流化床气化炉炉墙的里层材料，与现有技术中常用的普通耐火水泥相比，其优势是极为突出的：众所周知，垃圾富含钾盐和钠盐，如果使用普通耐火水泥做为气化炉炉墙，垃圾气化后会有大量的钾盐和钠盐附着在炉墙上，会很快形成结焦；大量实验证明，使用刚玉作为气化炉炉墙，会使钾盐和钠盐的附着性大大减小，特别是铬刚玉，效果最好，几乎不会在路墙上形成结焦。

附图说明

图1是本发明的气化工艺流程图。

具体实施方式

一种流化床气化垃圾装备，包括上料系统1，等离子气化流化床2，回料系统3，排渣系统4，旋风分离器5，急冷式余热锅炉6，急冷塔7，冷却塔8，吸附塔9，布袋式除尘装置10，除硫装置11，水环压缩机12，汽水分离器13，储气分气缸14，以及装备控制系统，如图1所示；

所述上料系统1，由双绞龙给料器组成，两个绞龙并列放置，并可横向移动，在绞龙卡料时可自动分开使被卡物料继续向前移动。

所述等离子气化流化床2，包括炉墙、布风板、等离子体炬21；

所述炉墙由三层结构组成，最里层用刚玉浇注料，稀相区采用高铝质耐磨浇注料，中间层采用轻质保温浇注料，外层铺设硅酸铝纤维板；炉墙总厚度375mm，其中刚玉层150mm，保温浇注层150mm硅酸铝纤维板保温层75mm，按气化炉炉膛温度为750℃计算，炉墙外表面温度约49℃。

所述布风板，面积约12m²，风帽直径Φ60左右，数量为1000个，节距100～125mm，每个风帽设8个Φ6的小风帽。

所述等离子体炬21，安装于流化床顶部排烟口处，用以将烟气再升温至1000℃以上，使烟气中所含的焦油重组为水和一氧化碳，从而达到去除焦油的目的；并消灭烟气中随烟气飞出的灰渣表面的二噁英。

所述排渣系统4尾部设有灰渣等离子处理仓41，对所有排出的灰渣进行高温(所述等离子体炬的焰心温度可达3000℃)处理，去除灰渣表面二噁英，使排放无害化。

所述急冷式余热锅炉6的内部由列管式换热器组成，可使混合气体在0.4秒内由800℃降至250℃，同时可产生3吨/小时的蒸汽(温度为190℃)；其顶部设有流态化石英砂喷射装置，在管壁上附着大量污垢时，可自动开启对管壁进行清理，保持高效的换热状态。

所述急冷塔7内部设有8个喷头，喷出石灰水水雾，与混合气体相遇时瞬间气化，使混合气体在0.2秒内从250℃急冷至180℃，完全避过二噁英的生成区间；同时用石灰水达到除硫的目的。

上述垃圾气化装备的气化工艺，包括如下步骤：

(a)燃气生成

首先对炉内床料进行预热，使用油枪直接加温床料，当床料加温至750℃时，开始送风(送风温度高于300℃)，将床料吹起，布风板外围风压大，中心风压小，使床料在流化床内部形成内循环，之后开始送入原料进行气化。

生活垃圾经预处理作为原料由自动上料系统送入炉内气化，进入炉内后与床料一起进行内循环，并由床料加温至750℃，气化过程为缺氧燃烧，供气量为完全燃烧的28-30％，反应过程中释放出大量的混合气，包括CO、H₂、CH₄、C₂H₆、CnHm、N₂、CO₂，与此同时在炉内形成的内循环的顶部送入一定量的蒸汽，使烟气中未反应完全的C与蒸汽再次发生还原反应，生成CO和H₂，。

所产生的混合气体由流化床顶部的排烟口流出，经等离子体炬加温至1000℃以上，在这个过程中烟气中所含的焦油重组为CO和H₂(达到去除焦油的目的)，并消灭烟气中随烟气飞出的灰渣表面的二噁英，之后混合气体进入旋风分离器。

最终得到的混合气体成分及热值如下

(b)排渣与返料

在混合气体产生的过程中，在流化床内部循环反应完全的灰渣会由四周的排渣口排出，进入冷渣器，由冷渣器内的绞龙将其送出并降温至200℃以下，之后进入振动筛，灰渣直径大于3mm的留在振动筛顶部，由输送机送至灰渣等离子处理仓，经等离子体炬的高温处理，消灭表面吸附的二噁英之后，送至灰场。灰渣直径小于3mm的落至振动筛底部由输送机送至返料提升机，再由提升机送入返料器，当返料器中的灰渣积累到一定数量是，阀门开启，将灰渣重新送入炉内，进行进一步的反应。

(c)燃气的净化与过滤

在水环压缩机的抽力作用下，混合气体由切向进入旋风分离器，使其中的大颗粒粉尘被离心力分离出来在旋风分离器底部积累，混合气体由旋风分离器顶部排出进入急冷式余热锅炉，进行急冷和换热，使混合气体在0.4秒内由800℃降至250℃，并置换出3吨/小时的蒸汽(温度为190℃)，之后混合气体进入急冷塔，急冷塔中喷出石灰水水雾，使混合气体在0.2秒内由250℃降至180℃，从而使混合气体完全避过二噁英的重新聚合区间，并用石灰水达到除硫除氯之目的。从急冷塔流出的混合气体进入冷却塔，使温度降至常温，之后进入吸附塔，由喷射出的活性炭粉末吸附混合气体中的残留二噁英及粉尘，之后进入布袋除尘器，对气体中的二噁英及粉尘进一步处理，使气体中二噁英含量低于0.1ng/m³。最后进入气水分离器进行气水分离，最后可得到纯净的混合气体。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种流化床气化垃圾装备，包括上料系统，气化炉，回料系统，排渣系统，旋风分离器，冷却塔，吸附塔，布袋式除尘装置，除硫装置，水环压缩机，汽水分离器，储气分气缸，以及装备控制系统，其特征在于：

还包括急冷系统，其位于旋风分离器和冷却塔之间，包括急冷式余热锅炉和急冷塔；所述急冷式余热锅炉内部设有列管式换热器，顶部设有流态化石英砂喷射装置；所述急冷塔内部设有1个以上用于喷出石灰水水雾的喷头；

所述气化炉为等离子气化流化床，包括流化床气化炉，并在流化床顶部排烟口处设置等离子体炬，所述等离子体矩焰心温度达到3000℃以上；

所述流化床气化炉包括炉墙和布风板；所述炉墙由三层结构组成，里层为刚玉浇注料层，中间层为轻质保温浇注料，外层为硅酸铝纤维板保温层；炉膛温度为600-900℃，炉墙外表面温度为40-60℃；

所述排渣系统尾部设有灰渣等离子处理仓，所述灰渣等离子处理仓安装于振动筛尾部，其等离子体矩焰心温度达到3000℃以上；

所述吸附塔为活性炭装置，用以喷射出活性炭粉末。

2.如权利要求1所述的流化床气化垃圾装备，其特征在于：

所述流化床气化炉的炉墙里层为铬刚玉浇注料层。

3.一种如权利要求1所述的流化床气化垃圾装备的气化工艺，包括如下步骤：

(a)混合气体生成

首先流化床炉内床料进行预热，使用油枪直接加温床料，当床料加温至600-900℃时，开始送风，送风温度高于300℃，将床料吹起，布风板外围风压大，中心风压小，使床料在流化床内部形成内循环，之后开始送入原料进行气化；

生活垃圾经预处理作为原料由自动上料系统送入炉内气化，进入炉内后与床料一起进行内循环，并由床料加温至600-900℃，气化过程为缺氧燃烧，供气量为完全燃烧的28-30％，反应过程中释放出大量的混合气，包括CO、H₂、CH₄、C₂H₆、CnHm、N₂、CO₂，与此同时在炉内形成的内循环的顶部送入一定量的蒸汽，使烟气中未反应完全的C与蒸汽再次发生还原反应，生成CO和H₂；

所产生的混合气体由流化床顶部的排烟口流出，在此经等离子体炬加温至1000℃以上，在这个过程中烟气中所含的焦油重组为CO和H₂，并部分消灭随烟气飞出的灰渣表面的二噁英，之后混合气体沿切向进入旋风分离器；

在此过程中，所发生的主要化学反应如下：

C+O₂→CO₂+393.8MJ/kmol

2C+O₂→2CO+231.4MJ/kmol

C+H₂O→CO+H₂-131.5MJ/kmol

C+2H₂O→CO₂+2H₂-90.0MJ/kmol

C+CO₂→2CO-162.4MJ/kmol

C+2H₂→CH₄+74.9MJ/kmol

CO+H₂O→CO₂+H₂+41.0MJ/kmol

焦油分解的化学式如下：

C₁₀H₈+10H₂O＝10CO+14H₂

C₁₀H₈+20H₂O＝10CO₂+24H₂

C₁₀H₈+10H₂O＝2CO+4CO₂+6H₂+4CH₄

(b)排渣与返料

在混合气体产生的过程中，在流化床气化炉内部循环反应完全的灰渣会由四周的排渣口排出，进入冷渣器，由冷渣器内的绞龙将其送出并降温至200℃以下，之后进入振动筛，灰渣直径大于3mm的留在振动筛顶部，由输送机送至灰渣等离子处理仓，经等离子体炬的高温处理，部分消灭表面吸附的二噁英之后，送至灰场；灰渣直径小于3mm的落至振动筛底部由输送机送至返料提升机，再由提升机送入返料器，当返料器中的灰渣积累到一定数量时，阀门开启，将灰渣重新送入炉内，进行进一步的反应；

(c)燃气的净化与过滤

所述自切向进入旋风分离器的混合气体，其中的大颗粒粉尘被离心力分离出来在旋风分离器底部积累，随之混合气体由旋风分离器顶部排出进入急冷式余热锅炉，进行急冷和换热，使混合气体在0.4s内由800℃降至250℃，并置换出3T/h的蒸汽，之后混合气体进入急冷塔，急冷塔中喷出石灰水水雾，使混合气体在0.2s内由250℃降至180℃；在些过程中混合气体在0.6s内自800℃降至180℃，完全避过二噁英的重新聚合区间，同时用石灰水进行除硫除氯；其化学反应如下：

Ca(OH)₂+2HCl＝CaCl₂+2H₂O

Ca(OH)₂+H₂S＝CaS+2H₂O

从急冷塔流出的混合气体进入冷却塔，使温度降至常温，之后进入吸附塔，由喷射出的活性炭粉末吸附混合气体中的残留二噁英及粉尘；进而进入布袋除尘器，对气体中的二噁英及粉尘进一步处理，继而经除硫装置进行除硫，最后经气水分离器进行气水分离，最后得到纯净的混合气体由储气分气缸储存。

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